зеленов / eletsehomt48

Разрабатываются системы УБСР (универсальные блочные системы регулирования) – в начале на электронных лампах, затем на полупроводниках и интегральных схемах. Внедрение УБСР позволило повысить точность регулирования и быстродействие ЭП. Началось активное внедрение в системы ЭП средств вычислительной техники, микропроцессорных контроллеров. Были открыты ряд новых кафедр электропривода не только в крупных университетских городах, но и в областных городах и промышленных центрах. Так на Украине появились кафедры электропривода в Алчевске, Виннице, Днепропетровске, Запорожье и др. Начали развитие ряд новых научных школ: в Харьковском политехническом институте – теория ЭП с отрицательным вязким трением в нагрузке (проф. Клепиков В.Б.), а также теория работы ЭП с наблюдателями состояния (проф. Акимов А.В.), в Одесском политехническом институте – теория работы асинхронного ЭП с тиристорными регуляторами напряжения на статоре (проф. Петров Л.П.), в Донбасском горно-металлургическом институте (г. Алчевск) – теория работы электроприводов постоянного тока с оптимальным релейным управлением с использованием скользящих режимов (проф. А.Б.Зеленов).

Развитие ЭП – это непрерывная борьба различных идей, вариантов элементной базы и конструктивных систем, борьба за быстродействие, точность, экономичность.

В процессе эволюционного развития ЭП прошел большой путь от простейших релейно-контакторных систем до современного вентильного ЭП с микропроцессорным управлением. И если в основе электродвигательного устройства (см. рис. В.1) остались неизменные по принципу действия двигатели постоянного или переменного тока, то ЭПУ существенно изменились. Для электропривода постоянного тока преобразователь, питающий двигатель, прошел путь от простейшего генератора (система Г-Д), систем ЭМУ-Д, МУ-Д, РВ-Д (причем использовались ртутные выпрямители различной конструктивной сложности и мощности) до современной системы ТП-Д. Для ЭП переменного тока в качестве преобразователя частоты использовались как вентили на основе ртутных выпрямителей (инверторов), так и на основе полупроводниковых (тиристорных) элементов (системы ПЧ-АД). Начали применяться различные каскадные схемы для полезного использования энергии скольжения в АД.

Современная история развития ЭП характерна широким внедрением в управление вычислительной техники, развитием теории и методов исследования динамики электромеханических систем.

17

В кратком экскурсе в историю развития ЭП невозможно подробно остановиться на большом разнообразии систем и конкретных схем управления, что будет сделано лишь при подробном изучении курса «Системы управления электроприводами» и смежных дисциплин.

Перспективы дальнейшего развития электро-

привода. Темпы и объем дальнейшего развития ЭП неразрывно связаны с развитием силовой преобразовательной техники и комплектных микропроцессорных устройств для систем управления ЭП постоянного и переменного тока.

Наиболее перспективным остается асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором – наиболее простой и дешевый преобразователь энергии. Такой ЭП с тиристорными преобразователями частоты из-за бесконтактности является более простым и надежным в эксплуатации, он может обеспечить регулирование скорости в большом диапазоне с хорошей динамикой переходных процессов. Такой ЭП в ближайшем будущем может существенно потеснить в конкурентной борьбе электропривод постоянного тока. Постоянная тенденция современного развития ЭП – увеличивать долю выпускаемых комплектных регулируемых электроприводов переменного тока (довести ее до 60-70%), что увеличит энергосбережение в промышленности.

Всовременных силовых вентильных преобразователях широкое применение найдут такие новейшие элементы электроники как биполярные транзисторы с изолированным затвором (ключи IGBT), диапазон регулирования выходной частоты преобразователя – от 0,5 до 400 Гц. На основе применения IGBT будут реализованы многие энергосберегающие системы ЭП.

Всистемах управления ЭП получат применение такие новые элементы вычислительной техники как транспьютеры, осуществляющие до 3-х триллионов операций в

18

секунду, что позволит в адаптивном ЭП с наблюдателем состояния обеспечить быстродействие, дающее практически «мгновенную» адаптацию.

Получат применение двигатели переменного тока со встроенными преобразователями и датчиками, будут и далее серийно выпускаться и развиваться системы ЭП с

векторным управлением АД.

Дальнейшее развитие получат не только системы автоматизации управления ЭП, но и системы оптимального управления, реализующие максимальное быстродействие, точность или минимальные потери при работе ЭП.

В полупроводниковых элементах, используемых для управления вентилей-транзисторов, возможен переход от использования кремния к сульфату галлия (для получения большей плотности тока в кристаллах).

Дальнейшее развитие получат и конструктивные решения – унификация элементной базы, блочномодульное построение различных систем ЭП, в том числе комплектные ЭП постоянного и переменного тока.

Г л а в а п е р в а я

МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1 Общие положения

Механика электропривода изучает взаимодействия сил и моментов, действующих в электроприводе при неустановившихся процессах, возникающих при различных управляющих (пуск, реверс, торможение) или возмущающих (сброс и наброс нагрузки) воздействиях.

Автоматизированный электропривод представляет

19

собой сложную электромеханическую систему, электрическая и механическая части которой находятся в постоянном взаимодействии. Отдельные элементы электропривода содержат различные накопители электрической, электромагнитной, тепловой и механической энергии, а также различные преобразователи энергии (трансформаторы, электромеханические генераторы, вентильные преобразователи), связанные между собой механическими, электрическими или магнитными связями. При неустановившихся процессах происходят непрерывное преобразование энергии и передача ее из одного накопителя в другой.

При изучении механики электропривода учитывается изменение лишь механической энергии, накапливаемой в движущихся частях электродвигателя, передаточного устройства и рабочей машины. Изменения электромагнитной или электрической энергии не учитываются как малые величины. Такой учет проводится при изучении переходных процессов, которым посвящен специальный раздел курса теории электропривода.

Механическая часть электропривода может иметь развитую многомассовую структуру с упруговязкими механическими элементами, например с длинными валами или канатами, связывающими движущиеся массы с постоянными моментами инерции. В некоторых механизмах (например, в транспортерах, разливочных машинах) величина движущейся массы (или момент инерции) меняется в процессе движения. Наконец, есть электроприводы, у которых передаточное устройство между двигателем и рабочей машиной имеет меняющееся передаточное число (например, у кривошипно-шатунных механизмов), что влияет на расчетное значение момента инерции и динамического момента на валу двигателя.

Изучение механики электропривода при полном учете всех механических инерции и всех связей между ни-

20

ми весьма сложно, а иногда и невозможно из-за недостатка информации. Поэтому (особенно на первом этапе изучения механики электропривода) очень важны сравнительная оценка различных действующих факторов, выявление главных из них, то есть составление упрощенной расчетной электромеханической схемы, учитывающей лишь определяющие инерционные элементы, связи между ними, действующие усилия и моменты. При преобразовании энергии в электроприводе неизбежны потери ее в передаточном и электродвигательном устройствах. Эти потери, направление потоков энергии при различных режимах работы электрических машин привода изучаются в механике электропривода.

Большинство задач механики электропривода решается с помощью известного из курса теоретической механики уравнения движения, которое в самом общем виде может быть представлено как

Здесь М, F – развиваемые в электродвигательном устройстве моменты (силы); МС, FС – статические моменты (силы) сопротивления движению, создаваемые в рабочей машине и передаточном устройстве; Mj, Fj – динамические моменты (усилия), определяющие характер и направление движения электропривода.

Электропривод со сложной кинематической схемой всегда можно расчленить на более простые звенья, для каждого из которых могут быть найдены действующие в этом звене моменты (силы) и имеющиеся здесь скорости движения. Далее задачи механики электропривода можно решать, пользуясь системой уравнений движения, составленных для каждого из движущихся элементов, дополнив их уравнениями связи изменяющихся фазовых координат

21

вода, записанное для параметров, приведенных к валу двигателя, будет обыкновенным дифференциальным уравнением. В механике электропривода не используются дифференциальные уравнения в частных производных.

С помощью уравнения движения в механике электропривода решаются многочисленные задачи, связанные с расчетом параметров на различных осях движения (массы, моменты инерции) или с расчетом фазовых координат (моменты, усилия, скорости, ускорения, пути перемещения) и времени движения.

Изложение механики электропривода (впрочем, как и всех остальных разделов курса теории электропривода) проводится с использованием международных единиц СИ. Однако, учитывая, что заводы-изготовители электрооборудования выпускают изделия с техническими описаниями и каталогами, в которых используется техническая система единиц и даже внесистемные единицы (например, скорость в оборотах в минуту), необходимо хорошо знать правила и формулы перевода от единиц одной системы в единицы другой. Далее это будет показано на конкретных примерах.

1.2 Классификация статических моментов и сил сопротивления движению

Момент нагрузки на валу рабочей машины, или так называемый момент сопротивления движению, создается различными силами полезных и вредных сопротивлений.

П о л е з н ы м и с и л а м и сопротивления движению являются те силы, для преодоления которых предназначена данная рабочая машина. Например, это усилия резания в металлорежущих станках, ножницах или пилах; это усилие давления металла на валки в прокатных станах; это усилия, создаваемые массой перемещаемого груза в различных подъемных механизмах, Таким образом, полез-

23

ные силы сопротивления определяются конструкцией рабочей машины и особенностями технологического процесса.

В р е д н ы е с и л ы сопротивления движению обусловлены различными видами потерь, которые возникают при движении. В основном, это потери, создаваемые силами трения (в подшипниках, о воздух, трение газа в газопроводе или воды в водопроводе и т.п.). Учет величины потерь производится при помощи коэффициента полезного действия (если невозможен более точный и детальный учет), либо при помощи расчетных или эмпирических коэффициентов сопротивления движению, которые по своей сути также являются коэффициентами полезного действия, но лишь иначе записанными.

И полезные и вредные силы сопротивления создают м о м е н т ы с т а т и ч е с к о г о с о п р о т и в л е н и я движению на валу рабочей машины МСМ и (при соответствующем пересчете, или так называемом приведении) на валу двигателя МС. Эти моменты сопротивления классифицируются по характеру сил сопротивления движению или по конструкции рабочей машины и особенностям технологического процесса.

1.2.1 Классификация моментов сопротивления движению по характеру сил сопротивления

С рассматриваемой точки зрения все моменты статического сопротивления делятся на две группы:

Реактивные моменты сопротивления – это момен-

ты, создаваемые силами трения или силами неупругих деформаций – растяжения, сжатия, скручивания или изгиба неупругих тел. Все эти моменты сопротивления МС создаются силами реакции (отсюда и их название) и всегда н а п р а в л е н ы п р о т и в д в и ж е н и я . Потому характеристика реактивного МС имеет разрыв непрерывности

24

ωние). Характерным примером активно-

го МС является момент сопротивления, возникающий при упругой деформации

ными или отрицательными. В уравнении движения (1.1) это учитывается соответствующим знаком перед MС.

При изменении направления движения знак активного момента не меняется (см. рис. 1.3), что можно наглядно показать на примере момента сопротивления, создаваемого массой груза, подвешенного на барабане лебедки подъемника.

25

1.2.2 Классификация моментов сопротивления движению по конструкции рабочей машины и особенностям технологического процесса

С указанной точки зрения все рабочие машины можно разбить на несколько групп, для которых механическая характеристика механизма может быть представлена как зависимость момента сопротивления МС от различных факторов. Для ряда механизмов таким определяющим фактором является скорость движения рабочего органа. В этом случае зависимость МС=f(ω) может быть представлена математически следующим образом:

где М0 – момент трения в движущихся частях меха-

низма;

МСН – момент сопротивления при номинальной ско-

рости ωН; х – показатель степени, характеризующий измене-

щ а я о т с к о р о с т и м е х а н и ч е с к а я х а р а к -

26